調峰運行對核電機組主汽輪機的影響分析

史香錕，楊均勇，楊 鵬，錢建華，趙劍剛

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518120）

0 引言

近幾年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，電網運行的峰谷差越來越大。而與此同時，核電機組的投運數量逐年攀升，發電份額日益增大，因此所面臨的調峰運行壓力也越來越大[1-2]。國家發展和改革委員會、國家能源局曾在發改運行[2015]518號文件中對核電機組作如下表述，“核電在保證安全的情況下兼顧調峰需要安排發電”?；谶@種新情況，以前按照基本負荷模式設計并商運的核電機組，如今均難以保證基荷運行，必須考慮調整自身設備特性以應對調峰壓力，并嘗試逐步參與調峰運行。

然而，目前國內投運的核電機組均未參與過長期調峰運行，缺乏可供借鑒的實踐經驗或評估體系，近幾年來新投運的CPR1000等機組也同樣存在這種情況。根據理論分析可知，參與調峰運行的機組，其運行參數偏離設計值，機組的效率和各零部件的受力、熱膨脹、熱變形等情況均會發生變化，影響其經濟性和安全性。主汽輪機是二回路系統中最主要的轉動設備，直接關系到機組的發電效率和經濟性。調峰運行過程中任何參數（功率、流量、壓力、溫度等）的變化都會直接影響到主汽輪機本體的運行狀況，同時也影響到下游系統、設備乃至整個電站的安全穩定運行。因此，在正式參與調峰運行之前，需要有針對性地分析調峰運行對主汽輪機的潛在影響。

目前僅有法國的核電機組直接參與過調峰運行，而且盡管具備日調峰能力，但基于經濟性和安全性的考慮，還是盡量保持基荷運行[3]。美國、日本、韓國、加拿大和西班牙等國的核電機組一般不參與調峰運行，僅通過大修方式參與電網季節性調峰[4]。國內僅有部分核電機組在國慶、春節等特殊節日參與過短期降功率調峰運行[5]。另外，目前的文獻中僅簡單地論述了核電機組參與調峰運行的可行性和必要性[6-10]，缺少對核電機組受調峰運行影響的深入分析，更缺少對主汽輪機受調峰運行影響的系統評估。

本文以核電機組主汽輪機為研究對象，分析調峰運行對它的影響。首先，假定核電機組的調峰運行模式為日負荷跟蹤運行，并分析相應蒸汽參數的變化情況；其次，根據蒸汽參數的變化情況，定性評估調峰運行對主汽輪機的主要影響；最后，結合國內外核電機組和火電機組的調峰運行經驗反饋數據，對上述分析和評估予以論證。調峰運行對核電機組主汽輪機的影響分析是一個系統、博大的工程，本文的研究工作僅為后續分析提供初步參考。

1 調峰運行模式及蒸汽參數變化

參考文獻[7-8]中關于核電機組調峰運行的設想，假定調峰運行模式為“12-3-6-3”日負荷跟蹤模式，低功率水平為50%FP（滿功率），且為了便于分析暫不考慮一次調頻或二次調頻。即在負荷高峰時帶12 h滿出力100%FP，負荷下降時用3 h線性減負荷至50%FP，在50%FP低功率平臺下維持運行6 h，最后用3 h線性加負荷至滿出力100%FP，其功率變化曲線如圖1所示。

圖1 功率變化曲線

汽輪機的功率表達式為：

式中：P為汽輪機發電功率；G為蒸汽流量；ΔHt為理想比焓降；η為相對電功率。當主汽輪機的負荷發生變化時，通常采用流量調節的方式進行調節，汽輪機進口蒸汽參數基本保持不變，即ΔHt基本保持恒定。當P變化范圍不大時，η的變化較小，則G與P之間近似成直線關系[9]。

根據弗留格爾格式，壓力和流量的關系式為：

式中：G和G′為負荷變化前后的蒸汽流量；p和p′為負荷變化前后各級前的壓力。當主汽輪機的負荷發生變化時，各級的流量和壓力按正比關系變化。由于主汽輪機各級大多在濕蒸汽區工作，當壓力發生變化后，其溫度等于對應壓力下的飽和溫度，也隨之發生變化。

以英國通用電氣公司設計的某一典型二回路熱力系統[11]中的高壓缸參數為例，依據式（1）、式（2）計算降功率至50%FP時蒸汽流量、溫度和壓力等參數的變化情況，如表1所示。

表1 不同功率下某高壓缸主要參數對比

由表1可知，當汽輪機按“12-3-6-3”模式進行日負荷跟蹤運行時，蒸汽流量、壓力、溫度等參數均發生變化，其中高壓缸進口蒸汽的溫差可達41.89℃。這些參數的變化會不可避免地影響到主汽輪機的運行狀況。

2 調峰運行對主汽輪機的影響

由于調峰運行時蒸汽的流量、壓力、溫度等參數發生變化，汽輪機的運行狀況會受到直接影響。這些影響主要分為以下幾種類型：熱疲勞；振動；侵蝕；動、靜部件間的碰磨；運行次數增多導致的設備或人因故障。以下將對這幾種主要影響類型進行簡單地分析評估。

2.1 熱疲勞

由上述分析可知，調峰運行時蒸汽溫度隨功率水平的變化發生頻繁波動，導致汽輪機通流部件表面產生循環的抗拉、抗壓熱應力，消耗材料的疲勞壽命，并產生表面裂紋。由表1可知，流道內進口蒸汽的溫差可達41.89℃，因此這種低周疲勞損傷難以忽略，勢必給汽輪機部件的強度、使用壽命等帶來不可逆轉的危害。

2.2 振動

當汽輪機負荷發生變化時，調節閥的開度發生改變，導致主蒸汽的流量也隨之發生變化。流量擾動會產生汽流激振，對葉片形成強烈的瞬態沖擊，導致葉片和轉子的振動加劇。尤其是當調節閥開度不同步時，由此導致的汽流不均勻性更加明顯，振動現象更加嚴重。對于低壓缸末級葉片，低負荷時可能在葉片根部形成回流，汽流擾動急劇惡化，極易導致葉片顫振。

2.3 侵蝕

低負荷時蒸汽品質下降、濕度增大，汽缸和葉片發生腐蝕的可能性增大。末級葉片因摩擦損失和鼓風損失產生額外的熱量，通常采用水噴淋的方式進行冷卻，但長期噴淋會增大對末級葉片的沖蝕，頻繁處于干濕交替的狀態也會促進葉片的應力腐蝕開裂。另一方面，負荷發生頻繁變化時，控制閥的沖蝕和磨損程度也會相應增大，而且蒸汽參數的頻繁波動會促進汽流中固體或液體顆粒物的產生，加大對閥門、葉片等流通部件的侵蝕程度。

2.4 動、靜部件的碰磨

當汽輪機負荷發生變化時，轉子和汽缸都會發生熱膨脹，但轉子通常比周圍固定部件對溫度變化的響應更加敏感，如果機組的溫升率控制不當，有可能在動、靜部件間形成脹差，導致碰磨發生。另一方面，隨著負荷的變化，汽流的擾動加劇，對轉子及葉片等部件的沖擊加強，會促進旋轉部件在徑向或軸向上發生位移波動，在局部間隙較小的位置產生碰磨現象。

2.5 運行次數增多導致的設備或人因故障

調峰運行過程中，某些調節或控制部件隨功率水平的變化而變化，相比于基荷運行，其運行次數大幅增加，由此導致某些設備故障發生的可能性也隨之增大。以調節閥為例，在調峰運行時，調節閥的開度隨著功率的變化而變化，因此發生閥門卡澀等故障的可能性也相應增大。同理，相比于基荷運行，調峰運行時人為因素介入的程度也大大增加，由此發生故障的風險也相應增大。

3 經驗反饋

3.1 國內外核電機組的調峰運行經驗

目前僅有法國的核電機組具有長期調峰運行經驗，國內和其他國家的核電機組僅參與過短期的調峰運行。由于受到保密和技術出口的限制，目前難以獲取法國核電機組詳細的調峰運行經驗反饋數據，僅有的資料顯示表明，調峰運行對汽輪機進汽閥、低壓缸末級葉片等部件均具有直接影響，其中又以低壓缸末級葉片最需要引起關注。末級葉片處的蒸汽回流不僅發生在葉片底部，同時也會發生在葉片頂部，強烈的回流現象導致葉片嚴重自熱，并加劇葉片的顫振乃至斷裂；又由于引入了噴水減溫裝置，因此對葉片的沖擊和水蝕也更為嚴重。

美國核動力研究院曾公開過一份關于核電站向靈活功率運行過渡方法的技術報告，報告中表明：靈活功率運行會造成更加頻繁的熱力和機械瞬態工況，對主汽輪機的影響主要體現在汽輪機轉子振動增加、效率下降、葉片腐蝕開裂、閥門磨損增加、末級葉片侵蝕加劇等方面，并提出了加強監測、改進材料、建立故障高發的功率隔離區等解決措施。

圖2 變負荷運行期間的汽輪機故障類型統計

國內核電機組僅有少量的短期降功率調峰運行經驗，本文對國內部分核電機組近5年來變負荷運行期間的故障案例進行了梳理，主要關注變負荷運行對主汽輪機的影響。依據梳理的結果繪制了變負荷運行期間的汽輪機故障類型統計圖，如圖2所示。

由圖2可知，變負荷運行期間汽輪機故障次數最多的是軸承動靜碰磨（共發生4次）和調節閥故障（共發生6次），致使軸承動靜碰磨的原因包括負荷變化引起的膨脹不均、蒸汽流量變化引起的沖擊擾動等；導致調節閥故障的原因包括負荷變化引起的液滴及顆粒侵蝕加重、熱疲勞加劇、運行次數增大導致的設備或人為因素故障概率增大等。調峰運行過程中負荷頻繁變化，上述影響更為嚴重，導致汽輪機部件發生故障的可能性也更大，需要引起技術人員的重視。

3.2 火電機組調峰運行經驗

調峰運行雖然在核電機組上的經驗反饋較少，但是在火電機組上已有豐富的實踐運行經驗[12-15]，因此火電機組的調峰運行經驗反饋也能對核電機組的調峰運行起到重要的參考作用。本文選取NERC（北美電力可靠性協會）收集的1984—2003年全球數百家火電機組運行數據進行分析，重點關注調峰運行對主汽輪機的影響。

NERC對這些統計數據進行了對比分析，分為前后2個10年周期（1984—1993年、1994—2003年）和2種運行模式（基荷運行、循環運行）的機組，其中，基荷運行指按基本負荷運行的機組，循環運行指按負荷跟蹤模式運行或多次啟停的機組。分析表明，循環運行對主汽輪機的影響主要體現在汽輪機振動增大和低壓缸軸承、再熱主汽門、調速系統、潤滑油系統、調節閥、主汽門故障增多等方面。圖3為NERC統計數據中汽輪機故障類型統計圖，分別顯示了不同時間周期和不同運行模式機組的汽輪機主要故障類型所導致的停機率[15]。

由圖3可知，潤滑油系統問題、汽輪發電機振動、低壓缸軸承故障、汽輪機再熱主汽門故障、汽輪機調速系統故障和汽輪機調節閥故障是循環運行模式下汽輪機停機率較高的幾種故障類型。相比于同期基荷運行模式，循環運行模式下的汽輪機振動、低壓缸軸承、再熱主汽門、調速系統、汽輪機管道等故障所導致的汽輪機停機率更高。這表明，負荷變化對汽輪機的影響不容忽視，應對上述主要故障類型進行深入分析，并提出合理有效的解決措施。

3.3 小結

圖3 NERC統計數據中汽輪機故障類型統計

通過已有的經驗反饋表明，調峰運行對主汽輪機的影響不容忽視，且這些影響主要集中在汽輪機調節閥、末級葉片、軸承等關鍵部位。

此外，文中雖然引入了部分火電機組的調峰運行經驗反饋數據，但火電機組與核電機組的運行方式和調峰模式有所區別，需要辯證看待。一方面，火電機組汽輪機的蒸汽溫度更高，由此導致的熱應力和高溫蠕變等問題更為突出，而核電機組汽輪機葉片更長、蒸汽濕度更大，由此導致的末級葉片沖蝕、濕汽損失等問題更為嚴重；并且火電機組多采用滑壓運行的方式參與調峰運行，與目前分析中所假定的調峰運行模式有較大不同。另一方面，火電機組和核電機組對安全性方面的要求也有所區別，與火電機組相比，核電機組對安全性的要求更高，因此相應的調峰運行策略要更為保守。

4 結語

本文參考相關文獻對核電機組調峰運行的描述，假定調峰運行模式為“12-3-6-3”日負荷跟蹤運行，低功率水平為50%FP，分析了該模式下主要蒸汽參數的變化情況，并據此評估了對主汽輪機影響的幾種主要類型。然后結合國內外核電機組的調峰運行經驗反饋，證明上述影響確實存在，并篩選出主要的影響部件是汽輪機調節閥、末級葉片和軸承等，最后引入火電機組的調峰運行經驗反饋對上述分析予以補充。

結論表明：核電機組參與調峰運行時，蒸汽的流量、壓力、溫度等參數都會發生明顯變化，對主汽輪機的影響主要包含熱疲勞、振動、侵蝕、動靜碰磨、運行次數增多導致的設備或人為因素故障等方面，主要影響部件包括汽輪機調節閥、低壓缸末級葉片和軸承等。

調峰運行對核電主汽輪機的影響是一個需要深入論證的問題，本文受限于能力及參考資料的匱乏，僅對相關問題進行了嘗試性的研究。為推動后續進一步的分析，有以下2點建議可供參考：首先是建立更加準確的汽輪機調峰運行模型，通過熱力系統計算或軟件模擬的方法，詳細分析負荷變化時蒸汽參數的變化情況，為后續研究提供理論依據。其次是調研更廣泛的參考資料和經驗反饋數據，通過實際運行數據反映出調峰運行對主汽輪機的影響情況。